Звук в воде распространяется в виде продольных механических волн, обусловленных колебаниями частиц жидкости вдоль направления распространения волны. Вода, в отличие от воздуха, обладает значительно большей плотностью и меньшей сжимаемостью, что определяет иные условия распространения акустических колебаний. Наиболее важными параметрами звуковых волн в воде являются:
Скорость звука в воде описывается эмпирическими уравнениями, учитывающими влияние температуры (T), солености (S) и давления (или глубины, z). Например, уравнение Маккензи для морской воды имеет вид:
c(T, S, z) = a0 + a1T + a2T2 + a3T3 + a4(S − 35) + a5z + a6z2 + a7T(S − 35) + a8Tz3
где ai — эмпирические коэффициенты. Приближённо можно считать, что скорость звука возрастает на 4–5 м/с при увеличении температуры на 1 °C, на 1,5 м/с при увеличении солености на 1‰ и на 1,7 м/с при увеличении давления на 1 МПа.
Поскольку температура, соленость и давление изменяются с глубиной, скорость звука также становится функцией глубины. Это приводит к рефракции звуковых лучей — их искривлению в вертикальной плоскости.
В типичном океаническом профиле:
В результате формируется звуковой канал, или SOFAR-канал, где скорость звука имеет минимум на определённой глубине (обычно около 1000 м). В этом канале звуковые волны, испытывая многократные рефракции, остаются сосредоточенными и могут распространяться на тысячи километров с минимальным затуханием.
Звук в воде взаимодействует с границами раздела, такими как:
Отражение от поверхности сопровождается фазовым сдвигом и потерями, особенно при наличии волн или пузырьков воздуха. Дно может быть как отражающим, так и сильно поглощающим, в зависимости от состава (ил, песок, камень).
На границах между слоями с различной скоростью звука происходит преломление по закону Снеллиуса:
$$ \frac{\sin \theta_1}{c_1} = \frac{\sin \theta_2}{c_2} $$
где θ — угол распространения, c — скорость звука в соответствующем слое.
Поглощение звука в воде происходит вследствие:
Частотная зависимость поглощения критична: при частотах ниже 1 кГц звук теряет энергию очень медленно и способен распространяться на большие расстояния, в то время как при частотах выше 100 кГц наблюдается сильное затухание. Коэффициент поглощения α(f) выражается в дБ/км и зависит от частоты f по сложной эмпирической зависимости.
Рассеяние может происходить на:
Это явление критически важно для подводной эхолокации, гидролокации и акустического зондирования.
Выделяют несколько типов акустических каналов в зависимости от стратификации водной толщи:
Дальность распространения звука определяется балансом между геометрическим расходом энергии (закон обратных квадратов), поглощением и рассеянием. В низкочастотном диапазоне (10–1000 Гц) звуковые сигналы могут сохраняться на расстояниях до нескольких тысяч километров.
Подводная акустика имеет критическое значение в навигации, океанографии, биологии и военной технике. Среди применений:
Эффективность этих методов определяется акустической прозрачностью среды, стабильностью параметров распространения, уровнем шумов и сложностью многолучевой структуры сигналов.
Источники шума в водной среде включают:
Шум оказывает существенное влияние на соотношение сигнал/шум (SNR) и, соответственно, на дальность действия гидроакустических систем. Для фильтрации и повышения разборчивости применяются методы пространственной и частотной обработки сигналов, включая формирование лучей и адаптивную фильтрацию.
Акустические волны взаимодействуют с живыми организмами:
Акустическая прозрачность тела животного зависит от его плотности, структуры тканей, наличия воздушных полостей. Это позволяет различать различные виды организмов по их акустическому отклику.
При высоких уровнях звукового давления в воде начинают проявляться нелинейные эффекты, такие как:
Кроме того, дисперсия звуковых волн в воде может проявляться при наличии направленных потоков, температурных и солёностных градиентов, влияя на форму и скорость распространения импульсов.
Реальная водная среда сильно неоднородна:
Это приводит к многолучевому распространению, интерференции, флуктуациям фазы и амплитуды сигнала, что необходимо учитывать при разработке и эксплуатации акустических систем.